[發(fā)明專利]一種考慮鐵損的基于狀態(tài)約束的異步電動機有限時間動態(tài)面控制方法

有效

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• 申請日: 2021-06-28
• 公開（公告）號: CN113381661B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于金鵬;劉加朋;宋晨;馬玉梅;陳曦;徐雨夢;于慧慧;宋思佳
• 申請（專利權(quán)）人: 青島大學(xué)
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14;H02P21/18
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務(wù)所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

本發(fā)明屬于異步電動機位置跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種考慮鐵損的基于狀態(tài)約束的異步電動機有限時間動態(tài)面控制方法。該控制方法通過構(gòu)建障礙Lyapunov函數(shù)，以保證異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子角速度、定子電流等狀態(tài)量始終在給定的狀態(tài)區(qū)間內(nèi)；通過引入動態(tài)面技術(shù)，以克服傳統(tǒng)反步法無法避免的“計算爆炸”問題，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近系統(tǒng)中的非線性項，將動態(tài)面技術(shù)與有限時間結(jié)合起來構(gòu)造控制器。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明控制方法不僅能夠在有限時間內(nèi)實現(xiàn)理想的位置跟蹤效果，同時將轉(zhuǎn)子角速度、定子電流等狀態(tài)量約束在給定的約束區(qū)間內(nèi)，避免因違反狀態(tài)約束而引發(fā)的安全問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于異步電動機位置跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮鐵損的基于狀態(tài)約束的異步電動機有限時間動態(tài)面控制方法。

背景技術(shù)

異步電動機又稱為感應(yīng)電動機，它是一種由定子繞組之后形成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流的磁場互相發(fā)生物理作用之后產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的一種電動機類型，它是一種交流電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是在我國各行各業(yè)和人民日常生活中應(yīng)用最廣泛的電動機，為多種機械設(shè)備和家用電器提供動力。例如機床、風(fēng)機、水泵、冶金、輕工業(yè)機械、中小型軋鋼設(shè)備和礦山機械等，基本都采用三相異步電動機進行拖動；洗衣機、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器等家用電器則大都采用單向異步電動機。

異步電動機得到了廣泛的應(yīng)用，主要歸功于其運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉和較好的工作特性等優(yōu)點。然而由于異步電動機的驅(qū)動系統(tǒng)具有多變量、強耦合、非線性等特點，并且在運行過程中容易受到負載擾動，鐵損問題以及不確定參數(shù)等的影響，使得如何對異步電動機進行精確有效的控制并且提出先進的控制策略變得尤為重要。

目前，研究者們提出了許多關(guān)于非線性系統(tǒng)的控制方法，例如滑模控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、哈密頓控制和反步控制等。反步法就是用虛擬控制變量來簡化原始的高階系統(tǒng)，最終的輸出結(jié)果通過Lyapunov方程來表示，自適應(yīng)反步控制方法將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解成多個簡單的低階子系統(tǒng)，通過引入虛擬控制變量來逐步進行控制器設(shè)計，最終確定控制律以及參數(shù)自適應(yīng)律，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。動態(tài)面技術(shù)能夠有效處理傳統(tǒng)反步技術(shù)中對虛擬控制變量反復(fù)求導(dǎo)而產(chǎn)生的“計算爆炸”問題，而結(jié)合有限時間控制技術(shù)能將跟蹤信號的漸進收斂改善為有限時間收斂并且能夠加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度和收斂速度，因此，結(jié)合動態(tài)面和有限時間控制技術(shù)具有更好的跟蹤效果。

在許多實際工程中，系統(tǒng)的輸出和狀態(tài)總是被約束在給定的區(qū)間內(nèi)，否則將不能保證安全規(guī)范和系統(tǒng)的性能。另外，違反狀態(tài)約束可能使系統(tǒng)的性能退化，出現(xiàn)故障，甚至威脅人身安全。當(dāng)異步電動機實際應(yīng)用(如吊車、機床等)時，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子角速度都應(yīng)被限制在給定的范圍內(nèi)。過大的轉(zhuǎn)子磁鏈會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁芯的飽和，產(chǎn)生嚴重的熱損耗。過大的勵磁電流會造成電網(wǎng)的電壓波動，并會影響同一電網(wǎng)其他設(shè)備的操作。同時，電機繞組嚴重發(fā)熱，會加速絕緣老化，縮短電機使用壽命。因此，對于異步電動機來說，轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子角速度、轉(zhuǎn)子磁鏈和勵磁電流等狀態(tài)量都應(yīng)被限制在一定的范圍內(nèi)。此外，長時間工作在輕載狀態(tài)下，異步電動機將產(chǎn)生大量的鐵芯損耗，這將對控制性能產(chǎn)生不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種考慮鐵損的異步電動機有限時間動態(tài)面控制方法，該控制方法在考慮鐵損和狀態(tài)約束的情況下，通過利用動態(tài)面技術(shù)解決傳統(tǒng)反步法的“計算爆炸”問題，同時結(jié)合有限時間技術(shù)，從而實現(xiàn)對異步電動機位置的高效跟蹤控制。

本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種考慮鐵損的基于狀態(tài)約束的異步電動機有限時間動態(tài)面控制方法，包括如下步驟：

a.建立考慮鐵損的異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，如公式(1)所示：